Diseño y construcción de una máquina semiautomática para ...

MASKANA, I+D+ingeniería 2014

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Diseño y construcción de una máquina semiautomática para la fabricación

de bloques

Diego Mise

Facultad de Ingeniería Mecánica, Escuela Politécnica Nacional, Quito, Ecuador.

Autor para correspondencia: [email protected]

Fecha de recepción: 21 de septiembre de 2014 - Fecha de aceptación: 17 de octubre de 2014

RESUMEN

Este artículo presenta el diseño de una máquina semiautomática para la fabricación de bloques, con el

objetivo de facilitar el proceso manual de fabricación. Para empezar se detalla el proceso de

fabricación y las especificaciones técnicas de la máquina, el planteamiento de las alternativas de

diseño y la selección de la mejor. Se crea el modelo como guía de diseño, para diseñar los elementos

de la máquina y selección de los elementos normalizados. El diseño de la máquina es justificado

mediante cálculos ingenieriles, el análisis de esfuerzos y de deformaciones por el método de elementos

finitos realizado en el programa Inventor profesional 2013. Luego, se elaboran los planos de taller y

conjunto para la construcción de la máquina. Finalmente, se realiza la construcción de la máquina y las

pruebas de funcionamiento.

Palabras clave: Diseño máquina, bloques, concreto, construcción, neumática.

ABSTRACT

This paper presents the design of a semi-automatic concrete block machine, aiming the simplification

of the manual fabrication. The manuscript first describes the fabrication process in detail, followed by

the technical specifications the machine should have, alternative design approaches, and the selection

of the best design. A model type was created as design guide for machine elements and the selection

of standard elements. The machine design is supported by engineering calculations, and the analysis of

stresses and deformations pursued by the finite element method in the Inventor 2013. Than shop

drawings for the construction of machine were made, and finally, the machine was constructed and

tested.

Keywords: Machine design, concrete, blocks, construction, pneumatic.

1. INTRODUCCIÓN

La economía ecuatoriana ha presentado un importante crecimiento sostenido en los últimos años,

impulsado principalmente por los incentivos fiscales otorgados al consumo privado para impulsar el

mercado inmobiliario. Esto, sumado a las inversiones realizadas por el sector público al sector

construcción, ha dado como resultado una serie de incentivos al mercado laboral y demanda interna.

Esto exige una mayor demanda de prefabricados de concreto como los bloques. El presente proyecto

se origina de esta necesidad, de cubrir de una mejor manera la demanda de prefabricados, planteando

una alternativa de mejora en la fabricación de bloques para la industria de la construcción.

Diseñar y construir máquinas semiautomáticas y automáticas, que permitan facilitar los procesos

de fabricación, mejorar la productividad y la calidad de los productos constituye un reto para la

industria. En vista de que los procesos de fabricación de bloques se vienen desarrollando de forma

manual, lo cual implica una baja producción y productividad. Se plantea el presente proyecto para

facilitar el proceso de fabricación de bloques para la industria de la construcción.


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Cabe recalcar, que en el país no se construyen máquinas semiautomáticas y tampoco automáticas

para la fabricación de bloques en particular y prefabricados en general. La importación de este tipo de

máquinas resulta demasiado costosa, además de la adquisición también involucra el transporte, la

instalación y el posterior mantenimiento de las mismas.

2. ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS

La selección de alternativas se realiza mediante el método de diseño concurrente, por las ventajas que

se tiene al dividir en módulos o bloques funcionales que conforman la máquina (Riba, 2002).

Especialmente facilita realizar un mejor estudio, selección de alternativas y diseño. En cuanto a la

adquisición e instalación de la máquina se pueda realizar por etapas, de tal manera que se adquiera el

resto de módulos según los requerimientos y la capacidad adquisitiva que tenga la fábrica. Lo cual, no

implica una fuerte inversión inicial para adquirir la máquina completa.

Luego de realizar un estudio y planteamiento de las alternativas para cada módulo, se selecciona

la alternativa más adecuada mediante el método ordinal corregido de criterios ponderados. El cual

permite conocer el orden de preferencia de su evaluación global de las diferentes alternativas. Se toma

en cuenta las siguientes consideraciones: costo, construcción, montaje, mantenimiento, funcionalidad,

entre otras. En la Fig. 1 se muestran los módulos para el diseño.

(a) (b)

Figura 1. Módulos de la máquina: (a) suministro de concreto y (b) fabricación.

3. DISEÑO DE LOS MÓDULOS

Los componentes mecánicos en forma de vigas, barras simples, entre otros, se pueden analizar con

bastante facilidad por medio de métodos básicos de la mecánica que proporcionan soluciones

aproximadas. Sin embargo, existen componentes que no son tan sencillos para lo cual se requiere la

utilización de software de diseño asistido por computadora (CAD), el método de análisis que se integra

perfectamente es el análisis de elemento finito (FEA). Existen diversos paquetes de software

comerciales de FEA que se encuentran disponibles como ANSYS, NASTRAN, ALGOR, etcétera.

(Budynas & Nisbett, 2004).


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3.1. Diseño de elementos simples

Para establecer el estado de carga de un elemento se identifican las dimensiones invariantes como

distancia entre apoyos de un eje, la altura de una columna, etc. Se establecen las cargas que actúan

sobre el elemento que pueden ser puntuales o distribuidas. Se selecciona un material según su

funcionalidad y se analiza por medio de métodos básicos de la mecánica para relacionar los esfuerzos

que se generan dentro del elemento con las propiedades del material y definir las dimensiones,

considerando un factor de seguridad, que depende de la aplicación.

Ejemplo de diseño de un eje

El eje sobre el cual se apoyan los brazos de la compuerta que controla el flujo de concreto está sometido

a flexión, para su dimensionamiento se requiere conocer el diámetro del eje. Para obtener el diagrama

de fuerzas cortante y momento flector se utiliza el programa MDSolids. Del diagrama de momento

flector se obtiene el momento máximo, M. Se considera un material y un factor de seguridad, n, en base

a la funcionalidad del elemento. Se relaciona el momento máximo, con el esfuerzo de fluencia del

material, Sy, y el factor de seguridad para determinar el módulo de sección, Sxx. Con el módulo de

sección se determina el diámetro mínimo, d, del eje para evitar que falle por esfuerzos. (Beer et al.,

2004):

(1)

donde:

(2)

3.2. Diseño de elementos complejos

Se crea el modelo del elemento, considerando las dimensiones invariantes para cumplir con su

funcionalidad. Se colocan las restricciones y estado de carga que actúa sobre el elemento. Se asigna un

material y se genera el mallado, con énfasis en zonas críticas. Se realiza la simulación del elemento y se

analizan los resultados para realiza las modificaciones necesarias variando ciertas dimensiones, para

que el modelo satisfaga cierto coeficiente de seguridad.

Ejemplo de simulación de una tolva

Se determina el volumen de concreto para cada ciclo, y el número de ciclos que debe almacenar para

establecer el volumen mínimo de la tolva. Con lo cual se establece la geometría y las dimensiones de la

tolva, excepto el espesor de la plancha con la que será construida, el cual se determina mediante la

simulación.

Al terminar la simulación se obtiene la distribución de esfuerzos, deformaciones y factor de

seguridad. En la Fig. 2a & 2b se muestra la distribución de esfuerzos y desplazamientos,

respectivamente, para un espesor de placa de 4 (mm) de acero ASTM A-36.

En la Tabla 1 se muestran los resultados de las simulaciones, para diferentes espesores de plancha

de acero ASTM A-36 que será empleada en la construcción de la tolva, de la cual se selecciona el

espesor necesario.


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(a) (b)

Figura 2. Distribución de esfuerzos (a) y desplazamientos (b) de la tolva.

Tabla 1. Resultados de la simulación de la tolva.

Espesor (mm) Esfuerzo máximo

(MPa)

Desplazamiento

máximo (mm) Factor de seguridad

3 113,5 2,4100 2,2

4 50,06 0,9665 5,0

5 33,53 0,4702 7,5

Para evitar que el material falle por esfuerzos se puede considerar un factor de seguridad de 2, sin

embargo se debe considerar el desplazamiento máximo. También se debe considerar la facilidad de

construcción, ya que al seleccionar una plancha muy delgada al momento de realizar la soldadura la

plancha tiende a deformarse y no se obtendrá la geometría requerida. Por lo tanto, se elige un espesor de

plancha de 4 (mm).

Figura 3. Mecanismo de movimiento del contenedor.


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3.3. Mecanismo de movimiento del contenedor

Para el diseño del mecanismo se utilizará el programa GeoGebra para el dimensionamiento de los

eslabones y análisis cinemático del mecanismo. Este mecanismo se encarga del suministro del concreto

hacia el molde. Para el dimensionamiento de los cilindros se requiere identificar la relación de

transmisión, que relaciona la fuerza que se requiere para desplazar el contenedor con el concreto y la

capacidad de los cilindros. Se utiliza el método gráfico para el análisis cinemático del mecanismo

(Mabie, 1998) y se obtiene la curva de relación de transmisión que relaciona la velocidad del cilindro

con la velocidad del contenedor, la cual se observa en la Fig. 3.

En la Fig. 4 se observa la curva de relacion de transmision vs. desplazamiento del contenedor. Se

determina la relacion de transmisión máxima para el dimensionamiento de los cilindros neumáticos,

para lo cual, se determina la carga necesaria para desplazar el contenedor. Se considera un factor de

corrección de carga para el dimensionamiento de los cilindros en base al catalogo del fabricante.

Figura 4. Curva de relación de transmisión vs. desplazamiento del contenedor.

3.4. Sistema de vibraciones

Es importante dotar de un sistema de vibraciones adecuado para obtener bloques de buena calidad y

elevar el tiempo de vida de los elementos cercanos. Los vibradores, sea internos o externos,

normalmente se caracterizan por sus frecuencias de vibración, expresadas como número de vibración

por segundos (Hertz) o vibraciones por minuto (vpm). También se designan por la amplitud de

vibración, que es la desviación en milímetros desde un punto de descanso. La frecuencia de vibración

se puede medir con el uso de un tacómetro de vibración (Kosmatka et al., 2004).

Las consecuencias de la vibración inadecuada son defectos causados por la falta de vibración:

agujero, cantidad excesiva de aire atrapado, juntas frías y agrietamiento por sedimentación o

asentamiento (Kosmatka et al., 2004).

Se seleccionó un sistema conocido como molde vibratorio, que consta de un eje con masas

excéntricas como se muestra en la Fig. 5.

El desbalance en máquinas rotatorias es una fuente común de excitación vibratoria. Consideremos

aquí un sistema resorte masa restringido a moverse en la dirección vertical y excitado por una máquina

rotatoria no balanceada, como se muestra en la Fig. 6. El desbalance está representado por una masa

excéntrica m con excentricidad e que rota con velocidad angular w. Si x representa el desplazamiento

de la masa no rotante (M-m) (Thomson, 1983).

La ecuación de movimiento (Vierck 1967) es:

(3)


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Figura 5. Sistema de vibración, eje y masas

excéntricas.

Figura 6. Esquema de desbalance rotatório.

La amplitud adimensional se expresa con (4) (Vierck 1967):

(4)

La transmisibilidad adimensional se expresa con (5) (Vierck 1967):

(5)

Se grafica la amplitud y transmisibilidad adimensionales, para diferentes valores de y r, que se muestran en las Figs. 7 & 8, respectivamente. Utilizando (4) y (5):

Figura 7. Amplitud adimensional vs. relación de frecuencias, para diferentes valores de .

Consideraciones para el diseño del sistema de vibraciones:

Es recomendable que el sistema funcione fuera de la relación de frecuencias, r, cercano a 1, en el

que la frecuencia de oscilación se acerca a la frecuencia natural. Al encender y apagar el sistema

se debe pasar lo más rápidamente posible de la frecuencia natural, para evitar que se generen

oscilaciones con amplitudes muy elevadas.


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Para relaciones de frecuencia menores que √2 y factores de amortiguamiento bajos, se presentan grandes amplitudes de las oscilaciones, como se observa en la Fig. 7. Por lo tanto, la relación de

frecuencias debe ser mayor que √2 para evitar elevadas amplitudes de oscilación.

Para relaciones de frecuencia mayores de √2, a medida que el factor de amortiguamiento es mayor se incrementa la transmisibilidad, como se observa en la Fig. 8. Por lo tanto, se requiere

que el factor de amortiguamiento sea bajo para evitar elevadas cargas al soporte del sistema.

Figura 8. Transmisibilidad adimensional vs. relación de frecuencias, para diferentes valores de .

Determinación de la constante de rigidez del amortiguador

Para determinar la constante de rigidez de los amortiguadores se realiza un ensayo estático de

compresión en la máquina universal de ensayos Tinius Olsen del Laboratorio de Análisis de Esfuerzos

y Vibraciones (LAEV) de la EPN. Mediante el cálculo de la pendiente de la curva obtenida, que se

observa en la Fig. 9.

Se toma dos puntos de la recta para calcular la pendiente, utilizando (6):

(6)

Determinación del coeficiente de amortiguamiento

Se determina el coeficiente de amortiguamiento, c, experimentalmente, mediante el método del

decremento logarítmico indicado (Thomson 1983), con ayuda del analizador de vibraciones IDEAR del

LAEV. El método consiste en tomar dos amplitudes máximas consecutivas de la onda obtenida para

determinar el decremento logarítmico, utilizando (7):

(7)


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Figura 9. Curva de carga vs. posición del cabezal móvil.

Figura 10. Amplitudes máximas consecutivas.

En la Fig. 10 se observa un ejemplo de la toma de datos. Se toman varias medidas y se calcula un

promedio.

Una vez obtenido el decremento logaritmico se calcula el factor de amortiguamiento, utilizando (8)

(Thomson, 1983).

(8)

Se calcula el coeficiente de amortiguamiento crítico, que es una propiedad del sistema, utilizando

(9) (Thomson, 1983).

(9)

donde: k2 es constante de rigidez del sistema de dos amortiguadores en paralelo (k1+k1), y M2 es la masa del sistema, 25 [kg].


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Se determina el coeficiente de amortiguamiento del sistema utilizando (10).

(10)

Como los amortiguadores están ubicados en paralelo, el coeficiente de amortiguamiento del sistema equivale a la suma de los coeficientes. Se utiliza (11) para calcular su valor.

(11)

Parámetros de diseño del sistema de vibraciones

Se determina la constante de rigidez y coeficiente de amortiguamiento del sistema, que consta de cuatro

amortiguadores de caucho con una distribucion en paralelo, sobre los cuales se apoya el molde. en cada

uno de los extremos.

Para determinar la constante de rigidez y el coeficiente de amortiguamiento del sistema se suman

las constantes de rigidez (12) y los coeficientes de amortiguamiento (13) de cada amortiguador,

respectivamente.

(12)

(13)

En la Tabla 2 se muestra un resumen de los parámetros del sistema de vibraciones.

Tabla 2. Parámetros del sistema de vibraciones.

Parámetro Símbolo Unidades Valor

Frecuencia natural Wn rpm 899

Frecuencia de oscilación w rpm 3.600

Relación de frecuencias r _ 4

Constante de rigidez k kg/mm 138,40

Coeficiente de amortiguamiento c kg s/mm 0,08856

Coef. de amortiguamiento critico kg s/mm 2,9495

Factor de amortiguamiento _ 0,030

Tabla 3. Dimensionamiento de las masas excéntricas.

m e X Ft Po

kg mm mm N N

1,4 45 0,436 608,6 8.953,7

1,6 45 0,499 695,5 10.232,8

1,8 45 0,561 782,4 11.511,9

2,0 45 0,623 869,4 12.791,0

2,2 45 0,686 956,3 14.070,1

En base a los parámetros de la Tabla 2 se procede al dimensionamiento de las masas excéntricas,

considerando la amplitud de las oscilaciones, magnitud de la fuerza transmitida al soporte y al sistema

en el estado estable. En la Tabla 3 se muestran alternativas de diseño para diferentes valores de m

(masa) y e (excentricidad) de las masas excéntricas.

Para aplicaciones de hormigón plástico en muros delgados, columnas, vigas, pilares prefabricados,

losas delgadas y a lo largo de juntas de construcción. El valor sugerido para el promedio de amplitud de

las oscilaciones es de 0,5 a 1,0 (mm), (Kosmatka et al., 2004). Por lo tanto, para el dimensionamiento


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de las masas excéntricas se considera el valor sugerido para el promedio de amplitud de 0,5 - 1,0 (mm).

Para evitar pérdidas del concreto entre el molde y el tablero de madera se selecciona una amplitud de

0,561 [mm], que corresponde a una masa excéntrica de 1,8 (kg).

Selección del motor

Para la selección del motor se fuerza, F, necesaria para que el molde adquiera la velocidad máxima, v,

en un intervalo de tiempo, t. Además, se considera un factor de corrección, f, para compensar las

pérdidas debido a la potencia absorbida por elementos mecánicos y la trasmisión de potencia. Se utiliza

(14) para calcula la potencia requerida.

(14)

La fuerza se calcula mediante (15):

(15)

La velocidad máxima que alcanza el molde se calcula mediante (16):

(16)

La aceleración que alcanza el molde se calcula mediante (17).

(17)

Reemplazando (15), (16) y (17) en (14), se tiene (18):

(18)

El tiempo que le toma al molde adquirir esta velocidad es la cuarta parte del periodo de ciclo

completo. Por lo tanto, para calcular la potencia se utiliza (19):

(19)

Figura 11. Modelo final creado en el programa Inventor 2013.


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Una vez definida la potencia del motor se determina el torque, que junto con la carga generada por

la fuerza centrífuga de las masas excéntricas se procede a diseñar el eje, diseño estático y a fatiga. Para

la selección de los rodamientos se considera la carga aplicada al eje, que corresponde a la fuerza

centrífuga generada por el movimiento de las masas excéntricas. Concluido el diseño, se crea el modelo

final de la máquina en el programa de diseño Inventor 2013, que se muestra en la Fig. 11. A partir del

cual se generan los planos de taller para la construcción de los elementos y los planos de conjunto para

el ensamble.

4. RESULTADOS

En base a los planos generados se construye y ensambla la máquina, además se instala el tablero de

control. En la Fig. 12 se muestra la máquina construida.

Figura 12. Máquina semiautomática para fabricar bloques construida.

Se tiene un compresor que suministra el aire comprimido y para el accionamiento de los cilindros

neumáticos se utilizan electroválvulas, de manera que a futuro se pueda instalar un PLC y obtener una

máquina automática, que sea controlada por el programa cargado en el PLC.

Se incrementó la presión ejercida por los apisonadores sobre el concreto, en la máquina manual los

apisonadores ejercen una carga equivalente a su peso, mientras que con la máquina semiautomática la

carga total corresponde al peso de los apisonadores y la carga ejercida por el cilindro neumático. Se

tiene un incremento con una relación de 4 a 1.

El incremento de la presión de compactación mejora el acabado superficial de los bloques y se

estima un incremento en la resistencia a la compresión. Están por realizarse los ensayos de compresión

de los bloques elaborados en la máquina manual y semiautomática, para verificar y cuantificar el

aumento en la resistencia a la compresión.

Se realiza una comparación de la producción, entre la máquina semiautomática construida y las

máquinas manuales. En la Tabla 4 se muestra la producción de bloques de 10 (cm), de la máquina

manual y semiautomática construida.


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Tabla 4. Producción de bloques de 10 (cm).

Parámetro Manual Semiautomática

Unidades por ciclo 8 10

Tiempo de ciclo* [s] 60 - 70 30 - 35 *Estimado, depende de la habilidad del operador, composición y nivel de humedad del concreto.

5. CONCLUSIONES

La aplicación de la estructura modular en el diseño de la máquina, permite subdividir su estructura

mecánica compleja en partes más simples que son trabajadas en paralelo lo que reduce el tiempo

total de diseño, mejora la fiabilidad del conjunto debido a que se parte de módulos claramente

establecidos.

La máquina construida facilita el proceso de fabricación de bloques, se incrementa el número de

unidades por ciclo y se reduce a la mitad el tiempo de fabricación, dando como resultado un

incremento en la producción y rentabilidad.

El proceso de fabricación mejora la calidad del producto al incrementar el nivel de compactación

del concreto y al no depender de la habilidad del operador la calidad de los productos se mantiene

constante.

Con esta máquina se reduce el esfuerzo físico de los trabajadores que pasan a convertirse en

operadores, se limitan al control de la máquina mediante pulsadores.

Todo el proceso de fabricación de bloques se controla mediante pulsadores que accionan los

cilindros neumáticos, excepto la adición de agregados a la mezcladora y el traslado de los bloques

sobre tableros de madera para el almacenaje.

AGRADECIMIENTOS

El autor desea dejar constancia de su agradecimiento a los profesores de la Facultad de Ingeniería

Mecánica de la EPN, por la formación recibida. En especial al Ing. Fernando Jácome, director del

proyecto, y al Ing. Ricardo Soto, co-director, por su orientación y guía para el avance del proyecto.

Además, un agradecimiento especial a sus padres Hilda y Néstor, por el apoyo y la confianza para el

desarrollo del proyecto.

BIBLIOGRAFÍA

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México, pp. 954-957.

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Riba, C., 2002. Diseño concurrente. Ediciones UPC, España, 121-123.

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